中壓設備中SF6替代氣體的試驗研究

尤天鵬， 董旭柱， 周文俊， 鄭宇， 李涵， 任書波

(武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

SF6氣體絕緣變壓器(gas insulated transformer,GIT)、環網柜等中壓電力設備是以SF6氣體為絕緣及冷卻介質的設備，因其優良的絕緣、防火性能，廣泛應用于地下變電所、地鐵車站和人口密集區域等場所。每年約有10 000噸SF6氣體應用于電力行業，占總使用量的80%以上[1]。然而SF6氣體的大氣壽命長達3 200年，具有極強的紅外吸收能力，全球變暖潛能值(global Warming Potential，GWP)約為CO2的23 500倍，是導致全球變暖的重要因素之一[2]。在2 015年通過的《巴黎協定》為全球變暖變化做出了安排，特別強調在21世紀下半葉實現溫室氣體的零排放[3]。對SF6替代氣體的尋找與研究顯得勢在必行[4]。

日本京都大學的山本等從7種氟氯類氣體中篩選出了c-C4F8氣體，c-C4F8氣體的絕緣強度與SF6氣體相近[5]。法國Alstom公司聯合美國3M公司共同推出了g3氣體(4%～10%C4F7N/CO2)，在0.1 MPa下C4F7N的絕緣強度約為SF6氣體的2倍，該氣體能降低設備對密封性的要求[6]。瑞士ABB公司的PC Stoller等對C5F10O混合氣體進行了相關試驗，升高氣壓后氣體的絕緣強度與SF6氣體類似[7]。

國內許多學者對在中壓設備中有使用潛力的環保絕緣氣體進行了大量研究。西安交通大學的王小華等對C5F10O氣體進行了雷電沖擊試驗，并采用沖入CO2的方式提高氣體壓力。試驗結果表明，隨著氣體壓力的升高，雷電沖擊的耐壓增長趨勢降低[8]。華北電力大學的屠幼萍等研究了直流電壓下C4F7N的擊穿特性、閃絡電壓和局放起始電壓特性，并與SF6氣體對比[9]。武漢大學周文俊等對比了C4F7N/CO2氣體在均勻電場和稍不均勻場下的工頻絕緣特性，研究了不同氣壓下的C4F7N/CO2氣體替代SF6氣體的潛力[10]。國內外學者對中壓設備中替代氣體的研究成果十分顯著，但還不全面。

本文通過選取國際數據庫中臨界約化場強大于SF6的氣體，以GWP、液化溫度等理化特性作為約束條件，選取了4種環保絕緣氣體作為研究對象，鑒于SF6氣體在中壓設備中正常運行時的工作壓力為0.1～0.2 MPa[11-13]，內部電場環境多為均勻電場，本文采用板-板電極模擬均勻電場，在0.3 MPa范圍內，得到4種絕緣氣體相對于SF6氣體的工頻擊穿電壓，分析其擊穿電壓達到中壓設備中SF6氣體的相同強度時的氣體壓力。同時與相同條件下的SF6對比，分析絕緣氣體的GWP，結合上述相對絕緣強度，討論絕緣氣體應用于中壓設備的可能性。相關研究成果為實際應用提供重要參考。

1 絕緣氣體理化性能分析

選取替代中壓設備中SF6的氣體，需要滿足4大原則：低GWP、高介電強度、無毒、高液化溫度。其中高介電強度是最重要的指標。本文通過對蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich,High voltage Laboratory)、Christophorou database、Budapest、Dutton database數據庫中22種絕緣氣體的理化性能分析，篩選可以用于在中壓設備中的氣體。

1.1 介電強度

近年來隨著發電量和用電量的增長，中壓電力設備的產量不斷增加，而絕緣氣體作為電力設備的重要組成成分，起著保護設備、延長設備壽命等作用。介電強度是衡量絕緣氣體在低壓時絕緣強度的一個重要指標，通常以SF6氣體的臨界約化場強 356 Td(1 Td=10-17V cm2)為基準值。絕緣氣體相對于SF6氣體的臨界約化場強如表1所示。

由表1可知，各種絕緣氣體相對于SF6氣體的臨界約化場強，在選取替代中壓設備中SF6氣體時，需選取大于或接近于SF6氣體的臨界約化場強的絕緣氣體，再進行理化性質的研究。表1中大于SF6氣體臨界約化場強的絕緣氣體包括：C4F7N、C5F10O、CF3I、CF3SO2F、c-C4F85種氣體。

表1 絕緣氣體相對于SF6氣體的臨界約化場強

1.2 全球變暖潛能值

為應對全球變暖趨勢，歐洲理議會和理事會提出關于氣體全球變暖潛能值(global warming potential，GWP)的計算方法，即

gz=ngp。

(1)

式中：gz為氣體的GWP；n為氣壓；gp為排放1 g絕緣氣體時，相當于向大氣排放gpg的CO2氣體。

由圖1可知，各絕緣氣體的GWP都遠低于SF6氣體，在相同氣壓下符合替代中壓設備中氣體環保需求。

圖1 不同氣體的相對絕緣強度與全球變暖潛能值

1.3 絕緣氣體的液化溫度

在一定溫度下，與液體處于平衡的蒸汽所具有的壓強稱之為飽和蒸氣壓。同一氣體在不同溫度下具有不同的飽和蒸氣壓，本文中提到的飽和蒸氣壓均在室溫20 ℃下進行。

采用Antoine公式計算不同絕緣氣體在20 ℃下的蒸氣壓，其公式為

(2)

式中:p為物質的蒸氣壓；A、B、C為蒸氣壓常數。通過上述公式計算絕緣氣體在20 ℃時的飽和蒸氣壓，如表2所示。

表2 絕緣氣體在20 ℃下的飽和蒸氣壓

在實際工程應用中，設備中氣體壓力不能超過其飽和蒸氣壓，這是由于當氣體壓力超過飽和蒸氣壓時，氣體會發生液化，導致氣體的擊穿電壓大大降低，不利于設備正常運行。

2 試驗方法

上述絕緣氣體的臨界約化場強是通過穩態湯遜試驗(SST)或脈沖湯遜試驗(PT)測得的，反映了絕緣氣體在低氣壓下的絕緣特性。國內外學者也對上述氣體做了高氣壓下的研究，但由于試驗條件不統一，使得數據分散性大，所以本文在統一試驗條件下，測量其在均勻場下的工頻擊穿電壓，為尋找具有替代中壓設備中環保氣體提供數據支撐。

2.1 試驗平臺搭建

圖2是工頻擊穿試驗電路接線原理圖，圖3是試驗電極實物圖。利用有限元計算軟件COMSOL對實驗腔體和試驗電極進行仿真分析，分析結果表明，試驗電極為直徑15 mm的平板電極、電極間距小于10 mm時，電極間電場分布均勻，證明了提出的實驗腔體和試驗電極可用于進行均勻電場下的工頻擊穿試驗。

圖2 試驗電路接線原理圖

圖3 工頻擊穿試驗電極實物圖

試驗腔體容積約為8L，主體絕緣采用環氧樹脂。下絕緣板連接調節電極間距的螺旋測微儀，調距精度為0.01 mm，間距調節距離范圍為0～20 mm。試驗腔體可耐受150 kV工頻電壓1 min，可承受氣壓0～0.8 MPa。工頻變壓器的最大輸出電壓為200 kV,保護電阻50 kΩ，電容分壓器電壓比為1 015∶1。C表示板板電極間隙。在間隙擊穿瞬間，變壓器的過電流保護單元動作，此時的電壓值為擊穿電壓。

2.2 試驗步驟

按照GB/T 16927.1-2011中規定的工頻擊穿試驗要求，實驗前用無水酒精對密封罐體內部和電極進行仔細清潔，將電極設置好后，封閉腔體，隨后利用真空泵對密封罐體進行抽真空。將試驗腔體與充氣管路抽真空至氣壓降低到3 Pa以下；進行工頻擊穿試驗10～20次，對電極進行“老煉”處理[14-15]；在實驗室溫度為20 ℃的情況下，充入待測氣體，靜置15 min，再用真空泵抽至3 Pa，重復3次，進行“洗氣”，最后將氣體充至測試氣壓，靜置15 min[16]；按照GB/T 16927.1-2011中規定工頻放電電壓試驗程序升高電壓至擊穿，記錄試驗擊穿電壓值；在完成待測氣壓的試驗后，用真空泵抽氣至下一個待測氣壓，至氣體穩定后在開展另一個氣壓的試驗，直至完成試驗[17-19]。

試驗均在室溫20 ℃的條件下進行，所使用的絕緣氣體由3M公司、武漢紐瑞德公司和北京宇極公司提供，純度99.99%。

2.3 試驗結果

通過上述平臺，在統一試驗條件(溫度為20 ℃、濕度為20～30RH、平板電極、電極間距5 mm、氣壓為0.1～0.5 MPa)下進行SF6氣體的工頻擊穿試驗，并將平臺所測得的SF6氣體的工頻擊穿電壓與文獻值[1]進行對比。對比結果如圖4所示。

圖4 SF6氣體測試值與文獻值對比圖

從圖4可知，SF6氣體在統一試驗條件下的工頻擊穿電壓有效值與文獻值的誤差為3%，說明該平臺可靠，可以利用該平臺進行絕緣氣體的工頻擊穿電壓的測量。

3 中壓設備中SF6替代氣體分析

3.1 高氣壓下絕緣氣體擊穿電壓的變化規律

選擇具有替代中壓電力設備中SF6潛力的絕緣氣體時，需要考慮絕緣氣體氣壓變化對擊穿電壓的影響，從經濟效益出發，綜合考慮中壓電力設備的密封水平、氣體壓力等因素，用于確定選擇的氣體壓力水平。絕緣強度達到SF6氣體0.1、0.15和0.2 MPa時絕緣氣體的氣壓如表3所示。

由表3可知，當SF6氣體的工頻擊穿電壓達到26 kV時，氣壓最高的是CF3I為0.07 MPa，對電力設備密封要求不高，可以選擇選擇其進行替代。CF3I在放電試驗中，會析出大量碘單質，雖然對其擊穿電壓影響較小，但碘單質會腐蝕金屬設備，造成電力設備損壞，不能采用。工頻擊穿電壓為37 kV時，CF3SO2F氣體的氣壓升至0.1 MPa，對中壓電力設備密封要求較低，其余絕緣氣體氣壓較低，要求設備的密封性較高。當工頻擊穿電壓為48 kV時，CF3SO2F、C4F7N和C5F10O氣體氣壓接近于0.1 MPa，可應用于中壓設備中。但C4F7N氣體在擊穿過程中有碳析出，降低放電電壓。

表3 絕緣強度達到SF6氣體0.1 MPa、0.15 MPa和0.2 MPa時絕緣氣體的氣壓

絕緣氣體(包括N2、CO2在內的常規氣體和C4F7N等10種絕緣氣體)氣壓變化對工頻擊穿電壓的影響如圖5圖6所示。

圖5 絕緣氣體的工頻擊穿電壓在不同氣壓時的變化曲線

圖6 絕緣氣體的工頻擊穿電壓在不同氣壓時的變化曲線

絕緣氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓的變化值呈現出“波峰”曲線現象。在0.1～0.15 MPa內，工頻擊穿電壓變化趨勢不明顯，這是由于雖然增大了氣壓，減小了氣體分子的平均自由行程，但也導致了氣體分子在運動過程中的動能累積的減小，分子平均自由行程與氣壓是線性關系，但分子動能與平均自由行程是高階函數關系，即平均自由行程減小的程度較小時，會導致分子動能有較大的減小，最終導致氣體的擊穿電壓在氣壓變化時，增加趨勢不明顯；在0.15～0.4 MPa內，工頻擊穿電壓開始迅速增長，當分子平均自由行程進一步減小時，導致氣體分子在運動過程中很難有足夠的距離積累動能，從而使得氣體的工頻擊穿電壓迅速升高。在0.4～0.6 MPa內，工頻擊穿電壓增長趨勢趨于平緩，有少許下降趨勢。

從圖5和圖6可知，絕緣氣體氣壓與工頻擊穿電壓關系的曲線中，氣壓為0.3 MPa下的工頻擊穿電壓增長速率最快，即氣壓為0.3 MPa時，對氣體絕緣性能的利用率最高，所以結合表2中的數據，應選取氣壓在0.2～0.3 MPa范圍內的絕緣氣體用于替代中壓電力設備中的SF6氣體，但絕緣強度較高的氣體的飽和蒸氣壓較低，所以可以選擇混合氣體，將高絕緣強度氣體沖入N2、CO2等緩沖氣體提高其氣壓值。

3.2 高絕緣強度氣體的工頻擊穿電壓變化規律

圖7為絕緣氣體的工頻擊穿電壓在不同氣壓時的變化曲線。

從圖7可知，氣壓對高絕緣強度氣體工頻擊穿電壓的影響是類似的，絕緣氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓的升高，近似呈線性增長；在氣壓升至較高時，絕緣氣體的擊穿電壓趨于飽和。

圖7 4種絕緣氣體的工頻擊穿電壓相對于SF6的工頻擊穿電壓

實際上，當絕緣氣體的壓力提高后，氣體的平均自由行程會被壓縮，進而使得電子在二次碰撞時積累的動能減少，減少了分子電離的產生。因此，工頻擊穿電壓隨氣壓的升高而升高。但是氣體的擊穿電壓不會隨著氣壓的升高保持線性增長，而是當氣壓提高到一定程度時，擊穿電壓出現飽和趨勢。這是由于絕緣氣體在低氣壓被擊穿的過程時，如電極表面粗糙度、兩電極板平衡度等影響因素對擊穿電壓影響不大，而氣壓升高時，這些影響因素會被放大，使得擊穿電壓出現飽和現象。

3.3 絕緣氣體應用的可行性分析

結合所述的絕緣氣體工頻擊穿電壓、GWP和液化溫度，可以得到具有實際應用價值的絕緣氣體。從氣壓的角度分析，氣壓不宜過高，氣壓過高雖然會使得工頻擊穿電壓升高，但同時也會對中壓電力設備的密封性提出更高的要求，帶來安全隱患；結合圖5、圖6分析，絕緣氣體在中壓設備中應用的氣體壓力應在0.1～0.3 MPa。

從環保的角度分析，表2為將絕緣氣體應用于中壓設備中時，產生的總GWP值。可以看出在達到中壓設備的絕緣要求前提下，使用絕緣氣體能有效減小溫室效應。

從液化溫度的角度分析，在中壓設備中進行充氣時，在室溫下，需將氣體壓力限定在飽和蒸氣壓以下。若設備內氣體發生液化，會極大降低其擊穿電壓。

在試驗角度分析，CF3I氣體在放電過程中會大量析出碘單質，雖然對擊穿電壓影響較小，但碘單質會腐蝕電力設備，不能替代中壓中的絕緣氣體。C4F7N氣體在放電過程中會有會發生碳沉積現象，影響其絕緣性能，不能在電力設備中使用。

對于中壓設備，采用SF6氣體作為絕緣介質時的充氣壓力為0.1～0.2 MPa，在不改變設備結構的情況下采用其他絕緣氣體作為絕緣介質時，使用壓力不應超過0.4 MPa。此外，通過圖5可知，超出0.4 MPa后，絕緣氣體相對于SF6氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓增加總體變化不大。若想滿足更低運行溫度和更高的絕緣性能，建議中壓設備中的氣壓為0.1～0.3 MPa。

4 結 論

本文通過對絕緣氣體進行工頻擊穿實驗，系統分析了在中壓電力設備中具備替代SF6潛力的絕緣氣體，在相同條件下達到0.1～0.2 MPa SF6氣體工頻擊穿電壓時的氣壓，為中壓電力設備中替代氣體的進一步研究應用提供了指導。研究結果表明：

1)絕緣氣體的氣壓在0.1～0.3 MPa時的工頻擊穿電壓增長趨勢最快，再考慮氣體最大使用效率與設備密封性的要求，推薦使用CF3SO2F混合常規氣體應用于中壓電力設備。

2)CF3SO2F、C4F7N、C5F10O和CF3I氣體體積分數為SF6氣體的0.3～1.2倍時，工頻擊穿電壓達到和SF6相同的水平。